專利名稱：基于神經(jīng)信號再生的生物感覺傳遞及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及神經(jīng)信號的探測、遠(yuǎn)距離傳輸及其控制運(yùn)用，尤其是一種利用探測、放大、遠(yuǎn)距離傳輸感覺神經(jīng)信號和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)信號，從而實(shí)現(xiàn)生物體之間感覺傳遞的基于神經(jīng) 信號再生的生物感覺傳遞及控制方法，屬于醫(yī)學(xué)、神經(jīng)信息學(xué)，通信科學(xué)、電路科學(xué)、微機(jī)械 加工等技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
兩個(gè)遠(yuǎn)隔千里的高等動(dòng)物之間能否實(shí)現(xiàn)互感互動(dòng)是一個(gè)有趣的話題。從科學(xué)理論 上來講，如果兩個(gè)動(dòng)物之間沒有任何物理上(聲、光、電、機(jī)械等)的聯(lián)系，要達(dá)到互感互動(dòng) 是不可能的。迄今為止，人類已經(jīng)通過有線和無線電話、電視、互聯(lián)網(wǎng)等多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)隔 千里萬里的信息交流，實(shí)現(xiàn)了 “順風(fēng)耳”和“千里眼”的古代神話描述。然而，有一種設(shè)想目 前還沒有實(shí)現(xiàn)，那就是“身臨其境”，感受痛、溫、觸、壓等皮膚感覺。多年以來，已有人在為癱瘓病人康復(fù)設(shè)計(jì)控制肢體運(yùn)動(dòng)的功能電刺激裝置。由于 人們現(xiàn)在還不知道人體的哪怕是一種最簡單的運(yùn)動(dòng)所對應(yīng)的神經(jīng)編碼是什么，所以用構(gòu)思 的電脈沖編碼作控制信號產(chǎn)生的肢體運(yùn)動(dòng)與正常人肢體運(yùn)動(dòng)的自由度與和諧度相去甚遠(yuǎn)。 并且目前大多數(shù)的研究還僅僅局限在利用神經(jīng)信號控制假肢，利用神經(jīng)信號直接控制生物 體肌肉的運(yùn)動(dòng)的研究報(bào)道甚少。在ZL 200510135541.6的發(fā)明專利中，提出了“微電子系統(tǒng)輔助神經(jīng)信道功能恢 復(fù)方法及其裝置”，用于受損脊髓神經(jīng)的信道橋接、信號再生和功能重建。這一專利技術(shù)要 處理的是動(dòng)作和感覺的神經(jīng)電位脈沖序列(編碼)。然而，該發(fā)明專利的特征是1)應(yīng)用目 標(biāo)是同體受損的脊髓神經(jīng)，2)采用近距離有線的生物神經(jīng)一電子接口。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于神經(jīng)信號再生的生物感覺傳遞及控制方法，利用自 一個(gè)生物體神經(jīng)元和神經(jīng)纖維束中探測到的神經(jīng)信號，通過一種或多種特別是無線通信技 術(shù)的組合，對其他生物體相關(guān)部位進(jìn)行電激勵(lì)，通過感覺神經(jīng)信號與運(yùn)動(dòng)神經(jīng)信號的傳輸 與重建，從而實(shí)現(xiàn)不同生物體之間，感覺的遠(yuǎn)距離傳遞與運(yùn)動(dòng)的遠(yuǎn)距離控制。實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用的技術(shù)方法是基于神經(jīng)信號再生的生物感覺傳遞及控制 方法，其特征在于將近端神經(jīng)電極從近端生物體的不同神經(jīng)上探測的感覺神經(jīng)信號和運(yùn) 動(dòng)神經(jīng)信號經(jīng)過包括放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換在內(nèi)的近端信號處理電路后輸入計(jì)算機(jī)，然后通 過通信傳輸至遠(yuǎn)端，經(jīng)過包括單片機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換、激勵(lì)電路在內(nèi)的遠(yuǎn)端信號處理電路轉(zhuǎn)換成 電流信號并通過遠(yuǎn)端神經(jīng)電極施加于至少另一生物體的對應(yīng)相同神經(jīng)上，分別重建出近端 生物體上的感覺神經(jīng)信號和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)信號，使遠(yuǎn)端生物體獲得相同的感覺，或者在重建運(yùn) 動(dòng)神經(jīng)信號的作用下，控制遠(yuǎn)端生物體肌肉產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)不同生物體之間感覺的 傳遞與不同生物體之間運(yùn)動(dòng)的控制。所說近端神經(jīng)電極含探測電極和參考電極，共同構(gòu)成近端信號處理電路的差分輸入端，近端信號處理電路設(shè)有至少一路通道，設(shè)有一個(gè)正向輸入端與一個(gè)負(fù)向輸入端，不同 的探測電極從不同的神經(jīng)上探測神經(jīng)電信號，送入不同通道的正向輸入端；各通道的負(fù)向 輸入端與共用參考電極相連；近端信號處理電路設(shè)有依次連接的緩沖隔離器、低通RC濾波 網(wǎng)絡(luò)、儀器放大器、高通濾波網(wǎng)絡(luò)、初級放大電路、級間耦合電路、二次放大電路、多路復(fù)用 器、A/D轉(zhuǎn)換電路與接口電路，接口電路輸出至包括有線、無線或有線與無線混合的通信傳 輸系統(tǒng)。上述電路中，隔離緩沖器的作用是為電路提供高的輸入阻抗，為電路與神經(jīng)之間提 供良好的隔離。由于神經(jīng)信號為低頻信號，因此首先利用低通RC濾波網(wǎng)絡(luò)濾除高頻干擾信 號，以減少干擾。儀器放大器是微弱信號探測中的常用放大器，它能夠?yàn)殡娐诽峁└叩墓材?抑制比，由于近端信號處理電路采用差分探測方式，很多種干擾可以被具有高共模抑制比 的儀器放大器所抑制。由于神經(jīng)電極與神經(jīng)接觸會(huì)發(fā)生類似原電池反應(yīng)，因此存在一個(gè)極 化電壓，該電壓為一個(gè)直流量，因此需要高通濾波網(wǎng)絡(luò)對可能產(chǎn)生的極化電壓進(jìn)行抑制。初 級放大電路、二次放大電路的作用是對信號進(jìn)行放大，由于神經(jīng)信號是微弱的電信號，因此 需要高增益的放大器進(jìn)行放大，考慮到一級放大器所能提供的增益有限，故采用兩級放大。 級間耦合電路是一個(gè)高通放大器，將初級放大電路、二次放大電路的直流工作點(diǎn)分離。采用 多路復(fù)用器是減少系統(tǒng)規(guī)模的途徑，多路通道通過多路復(fù)用器分時(shí)復(fù)用A/D轉(zhuǎn)換器，這樣 減少了 A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)量，降低了系統(tǒng)的功耗與成本。由于轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的神經(jīng)電信號 需要送入通信系統(tǒng)，不同的通信系統(tǒng)與其它外設(shè)之間滿足特定的通信協(xié)議，需要將信號轉(zhuǎn) 化為符合特定通信協(xié)議的信號，故需要接口電路。 所說遠(yuǎn)端信號處理電路設(shè)有至少一路通道，通過上述通信傳輸系統(tǒng)接收的近端生 物體神經(jīng)信號經(jīng)過遠(yuǎn)端信號處理電路中依次連接的接口電路、單片機(jī)構(gòu)成的控制電路、D/A 轉(zhuǎn)換電路、級間耦合電路和激勵(lì)電路后有兩路輸出，分別為正向輸出與負(fù)向輸出，它們分別 與兩神經(jīng)電極相連，正向輸出與反向輸出通過兩神經(jīng)電極，作用在同一根神經(jīng)上，正向輸出 與激勵(lì)電路相連，反向輸出與電路的地相連。上述電路中，接口電路的作用是將來自通信 系統(tǒng)的信號轉(zhuǎn)化為D/A轉(zhuǎn)換所需要的數(shù)據(jù)格式與類型。主要由單片機(jī)或其它控制單元如 FPGAjCPLD以及基于ARM構(gòu)架的其它微處理器所構(gòu)成的控制電路決定了來自通信系統(tǒng)的數(shù) 字信號被送至哪一路通道。D/A轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將來自通信系統(tǒng)，經(jīng)過控制電路的數(shù)字信號轉(zhuǎn) 化為模擬電壓信號。由于接口電路、控制電路為數(shù)字電路，而D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出為模擬信 號，需要利用模擬電路來處理，數(shù)字電路與模擬電路的工作點(diǎn)不同，所以需要引入級間耦合 電路進(jìn)行隔離。研究表明，在對神經(jīng)進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，電流信號比電壓信號更加有效，因此利用 激勵(lì)電路將D/A轉(zhuǎn)換電路輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為模擬電流信號。激勵(lì)電路的該路通道 的正向輸出，與一神經(jīng)電極相連。該路通道的負(fù)向輸出為電路的地，與另一神經(jīng)電極相連。 兩電極作用在同一個(gè)神經(jīng)上，當(dāng)有激勵(lì)信號時(shí)，與正向輸出、負(fù)向輸出相連的電極之間的神 經(jīng)區(qū)域被激發(fā)，從而產(chǎn)生神經(jīng)電信號。根據(jù)研究表明，神經(jīng)信號主要是脈沖的形式(動(dòng)作 電位)，不同的脈沖頻率與幅度包含不同的信息，當(dāng)記錄方式一定時(shí)，神經(jīng)脈沖波形是相似 的。利用神經(jīng)電極在神經(jīng)上激勵(lì)出的神經(jīng)電信號，其幅值與激勵(lì)信號的大小在一定范圍內(nèi) 正相關(guān)，且脈沖之間存在一一對應(yīng)的關(guān)系的特性。因此，可以想象，利用探測到的神經(jīng)電信 號(電壓信號，且主要是脈沖的形式)，轉(zhuǎn)化為適合激勵(lì)的電流信號后，直接對神經(jīng)進(jìn)行激 勵(lì)，較大的神經(jīng)脈沖可以在目標(biāo)神經(jīng)上激勵(lì)出較大的神經(jīng)脈沖，較小的神經(jīng)脈沖可以在目 標(biāo)神經(jīng)上激勵(lì)出較小的神經(jīng)脈沖，并且由于存在一一對應(yīng)的關(guān)系，即一個(gè)神經(jīng)脈沖可以在目標(biāo)神經(jīng)上激勵(lì)出一個(gè)與之相關(guān)的神經(jīng)脈沖。這樣就可以將探測神經(jīng)上的神經(jīng)脈沖的幅度 與頻率再現(xiàn)在目標(biāo)神經(jīng)上，從而實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)信號的再生。近端神經(jīng)電極的探測電極最好布置在參考電極的周圍，探測電極和參考電極之間 的距離應(yīng)小于1cm，參考電極可與被探測神經(jīng)周圍的組織相接觸并不要求參考電極必須與 神經(jīng)接觸。探測電極與參考電極只是按照其在電路中的不同連接方法而分類的，電極結(jié)構(gòu) 本身并沒有差別；遠(yuǎn)端兩神經(jīng)電極之間的距離不要超過0. 3cm。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及顯著效果(1)本發(fā)明具有十分重大的意義為除聽覺、視覺以外感覺的遠(yuǎn)程傳輸提供了新的思路，將是繼電話、電視之后又一項(xiàng)重要的發(fā)明，提供了一種基于神經(jīng)信號再生的遠(yuǎn)程生 物運(yùn)動(dòng)控制方式，具有重大的創(chuàng)新性，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)1)目前，對于感覺信號的遠(yuǎn)程 再現(xiàn)是通過再現(xiàn)出相關(guān)的環(huán)境，然后人再來感受而實(shí)現(xiàn)的，如溫度的再現(xiàn)是利用溫度傳感 器先測出溫度，把該數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)處，在通過溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使得某一物體具有相同的溫 度，然后人再來感受該物體，從而實(shí)現(xiàn)感覺的傳遞。以這種方式，如果需要傳輸不同的感覺 信息，就需要設(shè)計(jì)不同的系統(tǒng)，十分復(fù)雜。而本發(fā)明的思想則是雖然外部的感覺不同，但是 它們被人體感受到以后都會(huì)轉(zhuǎn)換為神經(jīng)信號，只不過神經(jīng)信號的模式不同，如果能夠在另 一個(gè)生物體的神經(jīng)上再現(xiàn)出同樣的神經(jīng)信號，就可以實(shí)現(xiàn)感覺的再現(xiàn)。這樣，只要設(shè)計(jì)一個(gè) 系統(tǒng)，就可以實(shí)現(xiàn)多種感覺信號的傳遞。2)目前，對于生物肢體的控制多數(shù)是基于肌肉電刺 激的方式進(jìn)行的，也就是利用電壓刺激肌肉，使得相應(yīng)的肌肉收縮。這種控制方式需要很高 的電壓(幾十甚至上百伏)。而且需要對控制肢體的神經(jīng)信號進(jìn)行解碼，以控制相應(yīng)的刺激 器，非常復(fù)雜。而在本發(fā)明中，僅將控制運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)信號無失真的傳遞，作用到相應(yīng)的神經(jīng) 上，再現(xiàn)出該運(yùn)動(dòng)神經(jīng)信號，不僅需要的刺激電壓低(幾伏)而且不需要對神經(jīng)信號進(jìn)行解 碼，大大簡化了設(shè)計(jì)。另外，該發(fā)明涉及到多個(gè)學(xué)科如臨床醫(yī)學(xué)，通信科學(xué)，神經(jīng)信息學(xué)，電 路科學(xué)，微機(jī)械加工等，是一項(xiàng)跨多門學(xué)科的發(fā)明，具有較高的技術(shù)含量。(2)與ZL200510135541.6相比較，前者的受益人群比較狹窄，僅僅是癱瘓病人。本 發(fā)明則無此限制，可以適用在任意的生物體之間；本發(fā)明采用各種遠(yuǎn)程通信技術(shù)，使得兩個(gè) 生物體之間感覺的傳遞與運(yùn)動(dòng)控制的距離大大的增加，而在ZL 200510135541. 6的發(fā)明專 利中，神經(jīng)信號僅僅是跨過受損的脊髓實(shí)現(xiàn)重建與再生；本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一對多的感覺傳遞 與運(yùn)動(dòng)控制，這在ZL 200510135541.6中是不可實(shí)現(xiàn)的。(3)本發(fā)明具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如感受遠(yuǎn)方的嗅覺，觸覺等從而實(shí)現(xiàn)真正意義上 的“身臨其境”在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，可以將該裝置應(yīng)用于一個(gè)健康人(如護(hù)士)和多個(gè)癱瘓病人之 間，實(shí)現(xiàn)癱瘓病人在護(hù)士引導(dǎo)下的康復(fù)性運(yùn)動(dòng)。在軍事領(lǐng)域，目前生物機(jī)器人的研究正火熱進(jìn)行，即利用一些低等生物如蟑螂，蜻 蜓等實(shí)現(xiàn)偵查、排爆等任務(wù)。本發(fā)明還為生物機(jī)器人的控制提供了新的思路。


圖1是本發(fā)明方法系統(tǒng)的示意圖；圖2是近端信號處理電路的結(jié)構(gòu)框圖；圖3是遠(yuǎn)端信號處理電路的結(jié)構(gòu)框圖4是基于3G接入技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)的蟾蜍痛覺信號傳遞實(shí)驗(yàn)示意圖；圖5是近端處理電路中的緩沖隔離器、低通RC濾波網(wǎng)絡(luò)、儀器放大器、高通濾波網(wǎng) 絡(luò)、的一種實(shí)現(xiàn)方式；圖6是近端處理電路中的初級放大電路、級間耦合電路、二次放大電路、的一種實(shí) 現(xiàn)方式；圖7是遠(yuǎn)端處理電路中的級間耦合電路、激勵(lì)電路的一種實(shí)現(xiàn)方式；圖8是近、遠(yuǎn)端兩只蟾蜍的腓腸肌上分別觀測到的肌電信號。
具體實(shí)施例方式參看圖1，神經(jīng)電極(可以是陣列)2的觸點(diǎn)從生物體1上探測神經(jīng)信號并送入近 端信號處理電路3。當(dāng)探測不同的神經(jīng)時(shí)，可以分別得到感覺神經(jīng)信號和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)信號。將 探測到的感覺神經(jīng)信號通過通信系統(tǒng)4發(fā)送至遠(yuǎn)端并通過遠(yuǎn)端信號處理電路5與神經(jīng)電極 (可以是陣列)6，將處理后的感覺神經(jīng)信號施加在生物體7的相同神經(jīng)部位上，就可以在生 物體7的相同神經(jīng)上重建出生物體1上所探測到的感覺神經(jīng)信號，從而使生物體7獲得與 生物1相同的感覺；將探測到的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)信號通過通信系統(tǒng)4發(fā)送至遠(yuǎn)端并通過遠(yuǎn)端信號 處理電路5與神經(jīng)電極(可以是陣列)6，將處理后的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)信號施加在生物體7的相同 神經(jīng)部位上，就可以在生物體7的相同神經(jīng)上重建出生物體1上所探測到的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)信號。 生物體7將在該運(yùn)動(dòng)神經(jīng)信號的作用下，控制肌肉產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)生物運(yùn)動(dòng)功 能的控制。參看圖2，近端信號處理電路3應(yīng)當(dāng)至少包含一路通道，其中包含緩沖隔離器31， 低通RC濾波網(wǎng)絡(luò)32，儀器放大器33，高通濾波網(wǎng)絡(luò)34，初級放大電路35，級間耦合電路36， 二次放大電路37，多路復(fù)用器38，AD轉(zhuǎn)換電路39與接口電路30。探測電極21與參考電極 22為近端信號處理電路3提供差分輸入(包含正向輸入與負(fù)向輸入兩個(gè)輸入端，不同的探 測電極21從不同的神經(jīng)上探測神經(jīng)電信號，送入不同通道的正向輸入端；各通道的負(fù)向輸 入端與同一個(gè)電極相連，該電極被稱為參考電極22。在實(shí)施過程中，為保證信號的質(zhì)量，被 用作探測電極21與參考電極22的神經(jīng)電極之間的距離需要小于1cm，也就是說探測電極 21應(yīng)當(dāng)布置在參考電極的周圍，參考電極22與被探測神經(jīng)周圍的組織相接觸，不要求參考 電極22必須與神經(jīng)接觸。探測電極21與參考電極22是按照其在電路中的不同連接方法 而分類的，電極本身并沒有差別)與緩沖隔離器31相連，將探測的信號送入低通RC濾波網(wǎng) 絡(luò)32。緩沖隔離器31為電路提供了高的輸入阻抗，低通RC濾波網(wǎng)絡(luò)32的作用是對高頻干 擾進(jìn)行抑制，將抑制后的信號送入儀器放大器33，為電路提供高的共模抑制比以減少共模 噪聲的影響。儀器放大器33與高通濾波網(wǎng)絡(luò)34相連，該網(wǎng)絡(luò)的作用為抑制極化電壓造成 的失調(diào)。來自神經(jīng)的微弱信號進(jìn)一步通過初級放大電路35，二次放大電路37的放大，就可 以進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。為了對AD轉(zhuǎn)換電路39進(jìn)行復(fù)用，這里采用了多路復(fù)用器38。各個(gè)信號通 路公用一個(gè)參考電極22，并且與各自的探測電極21相連。參看圖3，來自計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號通過接口電路50被送入主要由單片機(jī)構(gòu)成的控制電路51，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換電路52將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，通過級間耦合電路53進(jìn)入激勵(lì) 電路54，每一路通道有兩路輸出，分別為正向輸出與負(fù)向輸出，它們分別與神經(jīng)電極61、62 相連。正向輸出與反向輸出通過神經(jīng)電極，作用在同一根神經(jīng)上，兩者之間的距離不要超過0.3cm。其中正向輸出與激勵(lì)電路相連，反向輸出與電路的地相連。與正向輸出相連的電極與負(fù)向輸出相連的電極沒有區(qū)別。參看圖4，將一只蟾蜍8左腿的坐骨神經(jīng)暴露，并且為防止蟾蜍的大腦產(chǎn)生神經(jīng)信 號，將其頭部去掉，利用MicroProbes公司所提供的Nerve Cuff電極12包裹在其坐骨神經(jīng) 上，Nerve Cuff電極是神經(jīng)電極的一種，神經(jīng)電極的觸點(diǎn)安置在一種柔性材料的表面上，這 種柔性材料可以很好的包裹在神經(jīng)表面，神經(jīng)電極的觸點(diǎn)安置在柔性材料與神經(jīng)接觸的那 一面，從而實(shí)現(xiàn)神經(jīng)與電極之間的良好接觸。選擇該電極中兩個(gè)相鄰的電極點(diǎn)作為電路的 輸入，其中遠(yuǎn)心端作為正向輸入，近心端作為負(fù)向輸入。電極與近端神經(jīng)信號處理電路3相 連，其中緩沖隔離器31，低通RC濾波網(wǎng)絡(luò)32，儀器放大器33，高通濾波網(wǎng)絡(luò)34所采用的電 路結(jié)構(gòu)如圖5所示，圖中Ul，U2，U4為運(yùn)算放大器，U3為儀器放大器。初級放大電路35，級 間耦合電路36，二次放大電路37的結(jié)構(gòu)如圖6所示，U5，TO為運(yùn)算放大器，其中二次放大電 路可以通過開關(guān)選擇不同的電阻，從而改變其增益。選擇TI公司的MSP430F169處理器芯 片，該芯片中集成了多路復(fù)用器38和一個(gè)12bit的AD轉(zhuǎn)換器。FT245是一款用于USB通信 的芯片，利用芯片F(xiàn)T245與MSP420F169相連，并用MSP420F169對FT245進(jìn)行控制，就可以構(gòu) 成接口電路30，該電路將來自AD轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為能夠通過USB總線進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。 利用NI公司的LABVIEW軟件，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行進(jìn)一步編程，其目的是(1)接收來自USB總 線的數(shù)據(jù)(2)通過互聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)發(fā)送。計(jì)算機(jī)10通過中興公司的3G上網(wǎng)卡MU350利用 中國電信的網(wǎng)絡(luò)，接入互聯(lián)網(wǎng)。在另一端，另一臺(tái)配備中興公司的3G上網(wǎng)卡MU350的計(jì)算 機(jī)11通過同樣的方式接入互聯(lián)網(wǎng)。遠(yuǎn)端信號處理電路5中的接口電路50仍然由FT245芯 片實(shí)現(xiàn)，控制電路51，DA轉(zhuǎn)換器52，由TI公司的MSP430F169處理器芯片實(shí)現(xiàn)該芯片中集 成了多個(gè)DA轉(zhuǎn)換器。遠(yuǎn)端信號處理電路5中的級間耦合電路53，激勵(lì)電路54的一種實(shí)現(xiàn)方式如圖7所 示，圖中的U7，U8，U9為運(yùn)算放大器。同樣選取MicroProbes公司所提供的Nerve Cuff電 極13包裹在另一只去頭蟾蜍9的被暴露的左腿坐骨神經(jīng)上，電極的位置與第一只蟾蜍上的 電極位置相同。選擇電極中相鄰的兩個(gè)觸點(diǎn)作為輸出，遠(yuǎn)心端的觸點(diǎn)作為正向輸出，近心端 作為負(fù)向輸出，與激勵(lì)電路相連。上述近端及遠(yuǎn)端信號處理電路中的各電路構(gòu)成和連接都是電學(xué)領(lǐng)域的公知技術(shù)。參看圖8，利用5%的醋酸溶液0. 5mL，滴在近端第一只蟾蜍8的左腿上，可以看到， 第一只蟾蜍由于受到酸的刺激，從而產(chǎn)生了縮腿反應(yīng)(上圖)。與此同時(shí)，由于感覺信號在 遠(yuǎn)端第二只蟾蜍9同樣的神經(jīng)上得到了再生，因此第二只蟾蜍也產(chǎn)生了同樣的由于疼痛而 引起的縮腿動(dòng)作(下圖)。該實(shí)驗(yàn)已經(jīng)被錄制為視頻，在視頻中可以清楚的觀察到兩只蟾蜍 的動(dòng)作。由于肌電信號也可以反應(yīng)相應(yīng)肌肉的動(dòng)作，考慮到兩只蟾蜍的縮腿動(dòng)作與腓腸肌 有關(guān)，因此在實(shí)驗(yàn)中記錄了腓腸肌上的肌電信號，從圖中可以清楚的看到兩只蟾蜍的腓腸 肌都發(fā)生了動(dòng)作，并且肌電信號類似，但不完全相同。兩組肌電信號之間存在一定的延時(shí)， 說明蟾蜍的動(dòng)作存在先后的關(guān)系，延時(shí)是由于信號的傳輸延時(shí)而引起的。
權(quán)利要求
基于神經(jīng)信號再生的生物感覺傳遞及控制方法，其特征在于將近端神經(jīng)電極從近端生物體的不同神經(jīng)上探測的感覺神經(jīng)信號和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)信號經(jīng)過包括放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換在內(nèi)的近端信號處理電路后輸入計(jì)算機(jī)，然后通過通信傳輸至遠(yuǎn)端，經(jīng)過包括單片機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換、激勵(lì)電路在內(nèi)的遠(yuǎn)端信號處理電路轉(zhuǎn)換成電流信號并通過遠(yuǎn)端神經(jīng)電極施加于至少另一生物體的對應(yīng)相同神經(jīng)上，分別重建出近端生物體上的感覺神經(jīng)信號和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)信號，使遠(yuǎn)端生物體獲得相同的感覺，在重建運(yùn)動(dòng)神經(jīng)信號的作用下，控制遠(yuǎn)端生物體肌肉產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)不同生物體之間感覺的傳遞與不同生物體之間運(yùn)動(dòng)的控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于神經(jīng)信號再生的生物感覺傳遞及控制方法，其特征在于近端神經(jīng)電極含探測電極和參考電極，共同構(gòu)成近端信號處理電路的差分輸入端，近端信號處理電路設(shè)有至少一路通道，設(shè)有一個(gè)正向輸入端與一個(gè)負(fù)向輸入端，不同的探測 電極從不同的神經(jīng)上探測神經(jīng)電信號，送入不同通道的正向輸入端；各通道的負(fù)向輸入端 與共用參考電極相連；近端信號處理電路設(shè)有依次連接的緩沖隔離器、低通RC濾波網(wǎng)絡(luò)、 儀器放大器、高通濾波網(wǎng)絡(luò)、初級放大電路、級間耦合電路、二次放大電路、多路復(fù)用器、A/ D轉(zhuǎn)換電路與接口電路，接口電路輸出至包括有線、無線或有線與無線混合的通信傳輸系 統(tǒng)；遠(yuǎn)端信號處理電路設(shè)有至少一路通道，通過上述通信傳輸系統(tǒng)接收的近端生物體神經(jīng) 信號經(jīng)過遠(yuǎn)端信號處理電路中依次連接的接口電路、單片機(jī)構(gòu)成的控制電路、D/A轉(zhuǎn)換電 路、級間耦合電路和激勵(lì)電路后有兩路輸出，分別為正向輸出與負(fù)向輸出，它們分別與兩神 經(jīng)電極相連，正向輸出與反向輸出通過兩神經(jīng)電極，作用在同一根神經(jīng)上，正向輸出與激勵(lì) 電路相連，反向輸出與電路的地相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于神經(jīng)信號再生的生物感覺傳遞及控制方法，其特征在 于近端神經(jīng)電極的探測電極布置在參考電極的周圍，探測電極和參考電極之間的距離 小于1cm，參考電極與被探測神經(jīng)周圍的組織相接觸；遠(yuǎn)端兩神經(jīng)電極之間的距離不超過 0. 3cm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于神經(jīng)信號再生的生物感覺傳遞及控制方法，該方法將近端神經(jīng)電極從近端生物體的不同神經(jīng)上探測的感覺神經(jīng)信號和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)信號經(jīng)過包括放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換在內(nèi)的近端信號處理電路后輸入計(jì)算機(jī)，然后通過通信傳輸至遠(yuǎn)端，經(jīng)過包括單片機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換、激勵(lì)電路在內(nèi)的遠(yuǎn)端信號處理電路轉(zhuǎn)換成電流信號并通過遠(yuǎn)端神經(jīng)電極施加于至少另一生物體的對應(yīng)相同神經(jīng)上，分別重建出近端生物體上的感覺神經(jīng)信號和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)信號，使遠(yuǎn)端生物體獲得相同的感覺，或者在重建運(yùn)動(dòng)神經(jīng)信號的作用下，控制遠(yuǎn)端生物體肌肉產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)不同生物體之間感覺的傳遞與不同生物體之間運(yùn)動(dòng)的控制。
文檔編號A61N1/36GK101816550SQ20101012803
公開日2010年9月1日 申請日期2010年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月19日
發(fā)明者呂曉迎, 李文淵, 沈曉燕, 王志功, 黃宗浩 申請人:東南大學(xué)